预计在2023年，由欧洲（zhōu）航天（tiān）局和德国（guó）航天中心领导的研究（jiū）团队将进行Surface Avatar项目的第（dì）一次大型太空机器人试（shì）验（yàn）。此项目将探究机器（qì）人团队在行星表面（miàn）上执（zhí）行协（xié）作任务（wù）的（de）可行性 ，并研（yán）究（jiū）宇航员（yuán）如何利用语音、手势、视线跟（gēn）踪等多模（mó）态用户界（jiè）面实（shí）现远程操控机器人。

一、宇航（háng）员“化身（shēn）”机器人，远程登（dēng）陆其他（tā）星球

我们可以设想一个这样的（de）场（chǎng）景，在未来，机器（qì）人可以去探索和开发地（dì）球的附近的行（háng）星、卫星和小行星，他们能在地球以（yǐ）外的（de）星球表面采集（jí）样（yàng）本、构造（zào）建筑和部署仪器等。

目前，此科研团（tuán）队（duì）正（zhèng）在（zài）想办法（fǎ）设计这种机器人探测（cè）器，他们现（xiàn）在重点研究解决这样（yàng）一个问题：如（rú）何为宇航员（yuán）提供工（gōng）具，让他们能够轻松有效的操控机器人队伍？

研究人员的普遍想法是（shì）让机（jī）器（qì）人的操作过程高度自动化（huà），增加其（qí）可以完成的任务数量，降低宇（yǔ）航员的工作（zuò）量。2017年到2018年，研究（jiū）团队完成了SUPVIS Justin实（shí）验，让宇航员使用电（diàn）脑（nǎo）向机器人发出（chū）高（gāo）级指令，操纵机器人Rollin’ Justin执行了一系列导航、维护（hù）和修复工作。

这仿佛就像科幻电影一般，在飞船上的宇航员只需要用手点几（jǐ）下，就能够（gòu）让（ràng）机器人自主规（guī）划和执行任务（wù）。

▲机器人Rollin’ Justin正在执（zhí）行任务

但是（shì），由于难以预测的的行星地表环境和刺眼的光照，哪怕（pà）是最好的物体探测算法也不能（néng）让机（jī）器（qì）人做（zuò）到完全不出错。如果（guǒ）任务出（chū）现问题，或者需要机器人应对（duì）没（méi）有提（tí）前计划好的情况时，我们应该怎么做？

在地（dì）球上的工厂里，机器人的控制人员可能会下到车（chē）间里解决问题，但是如（rú）果按照类（lèi）似（sì）的（de）模式，由空（kōng）间站中（zhōng）的宇（yǔ）航员去星球上检查（chá）情况（kuàng），那么（me）这次（cì）旅行将会十分的危险和昂（áng）贵（guì）。

最好的办法是我们把机器人作（zuò）为宇航员在星（xīng）球（qiú）上的化身（shēn），让宇航员沉浸在机器人身临（lín）的（de）环境中，看机器人所看，感机器（qì）人所感，指（zhǐ）挥（huī）机（jī）器人完（wán）成任务（wù）。

二、力反馈装置让宇（yǔ）航员和机器人（rén）“感同身受”

为检验上述方法是否（fǒu）可行（háng），2019年11月，欧空局进行（háng）了一（yī）项名为ANALOG-1的试验，以验证（zhèng）空间（jiān）站宇航员和（hé）地面科学家是否能（néng）共同引导机器人完成（chéng）模拟月球任务。

这个机（jī）器人（rén）搭载了两条安有摄像头的（de）机械（xiè）臂（bì），还配备（bèi）了抓取器、力矩传感器，以及许多其他传感器。力矩（jǔ）传（chuán）感器可以感（gǎn）受力矩的物理变化（huà）并（bìng）将其转化成可输出（chū）理（lǐ）解的信（xìn）号（hào），进而（ér）精确（què）测量（liàng）出力的大小，它是机械臂力（lì）反（fǎn）馈装置（zhì）的（de）重要构成元件（jiàn），这个装置可以让宇航员和机器人（rén）“感同身受”。

▲机器人双臂正在（zài）移动

在（zài）国际空间站，宇航员（yuán）Luca Parmitano通过电脑屏（píng）幕看到了（le）机器人所（suǒ）拍摄的画面，他（tā）可（kě）以移动摄像头（tóu）和（hé）使用定制（zhì）的操纵杆设备。

他将（jiāng）手绑（bǎng）在操（cāo）纵杆上，从而获得（dé）机（jī）器人手（shǒu）臂（bì）的（de）操作反（fǎn）馈（kuì），他通过移动（dòng）和打开自己的手来移动机械臂并打开机器人的夹钳，能（néng）够（gòu）拥有接触地面的感觉，并能感受（shòu）到（dào）岩石样本有多重，这些对宇航员了解（jiě）星（xīng）球地表情况至关重要。

但是这种方（fāng）法也要面临诸多挑战：第一，国际空间站（zhàn）的（de）低宽（kuān）带限（xiàn）制了视频（pín）传输的质量；第二，国际空（kōng）间（jiān）站（zhàn）和其（qí）他星球距离遥远，宇航员和（hé）机器（qì）人的感受很难同（tóng）步，信息延迟很可能导致传统的力反馈远程操作变得不稳定；第三，信息延迟可能会让机器（qì）人陷入危险的境地，造成机器人的（de）损坏。比如，由于宇航员收到机（jī）器人的反馈过（guò）慢，可能会施加比他设想的更（gèng）多的力，让机器人不（bú）能面对（duì）真（zhēn）实（shí）环境，加大了被（bèi）损坏的（de）风险。

▲宇（yǔ）航员Luca Parmitano正在空间站操纵地面机器（qì）人

为了解决信（xìn）息（xī）延迟（chí）这个问题，研究团队开发了（le）一种名为TDPA-HD的控制方法（fǎ），它可（kě）以检测宇航员施加的能量（liàng），并将该数值和速度指令一起发送给机器人。在机器（qì）人端，它测量机器人（rén）施（shī）加的力，并降低速度，让机器人（rén）向环（huán）境输出的力小于宇航员（yuán）对（duì）它输出的力。

在宇航员端，TDPA-HD减少了对操作者的力反馈，因（yīn）此传递（dì）给宇航员（yuán）的能量不会多于从环境（jìng）中测得的量（liàng）。这维持（chí）了系统的稳定（dìng），意味着宇航员不会命令机器人，对环境施（shī）加比他们设想的更多（duō）的力，保（bǎo）证了宇航（háng）员和机器人的安全。

科（kē）学家将（jiāng）这种操作方法称为“监督自主”，比起（qǐ）机器人完全自主行动、控制者直接远程操纵、在（zài）处理如意外错误和信息延迟时（shí）更（gèng）有效（xiào）。控制者成为了一个监督者，如果机器人遇到问题（tí），人类可（kě）以（yǐ）介入其中并帮（bāng）助它完成任务。

不过宇航员反（fǎn）馈说，这种“监督自主（zhǔ）”仍有局限（xiàn）性，沉浸感不足，他希（xī）望机器人可以完成更（gèng）多的任务。

三、高自动化却带来高工作（zuò）量？不符科学家预期（qī）

2022年6月（yuè）到7月，研究团队参加了由德国航天局在埃特纳山进行的ARCHES试验（yàn）活动（dòng）。前宇（yǔ）航员（yuán）Thomas Reiter在埃特纳山附近的卡塔尼亚（yà）镇的控制室，控（kòng）制（zhì）处于（yú）海拔2700米（mǐ）的熔岩地（dì）带的（de）机器人。

▲ARCHES试验画面

这是他（tā）们在“扩（kuò）展自主”方面进行的首次（cì）尝试，意思（sī）就是允许宇航员根据任务增（zēng）加或减（jiǎn）少机器人的自主性。2019年，宇航员Luca只能通（tōng）过机器人的摄像头（tóu）和操纵（zòng）杆进行观察和运动（dòng），这一次Thomas拥有（yǒu）一个（gè）互动地图，他（tā）可以在上面进行标记，让机器人自动（dòng）驶（shǐ）向标记点。

与2019年（nián）通过力反馈控制机器人机械臂相比，现在宇航（háng）员可以在Mask R-CNN（基于区域的卷积神经网络）的帮助（zhù）下自动检测和收集石头。

从现实环境中测试研发的新功能，让研究人员收（shōu）获了很（hěn）多。特别（bié）是，自动化程度越高（gāo）并不意味着宇航员的工作量越低，这（zhè）个假设并不总是（shì）对的。

与宇航员经常（cháng）使用自动采集样本相（xiàng）比，自动（dòng）导航的使用频率并不高，这意（yì）味着它比（bǐ）操纵杆驾（jià）驶更（gèng）费力。这（zhè）可能是因为宇航员对（duì）自动系统信任度低，得到反（fǎn）馈的时间（jiān）较长等（děng）。

未来，科学家希望能够测试（shì）一个真（zhēn）正扩展自主的、多机器人的场景，为此他们（men）启（qǐ）动了Surface Avatar项目——在一个大规模的火星模拟环境中，国际空间（jiān）站的宇航员将在地面上指挥一个由四（sì）个机器人组成的团（tuán）队。

2022年（nián）6月，宇航员Samantha Christoforetti和（hé）Jessica Watkins进行（háng）了Surface Avatar项目的初步测试，第一（yī）次大型实验计划将于2023年（nián）进（jìn）行，这次实验将是这个研究团队迄今为（wéi）止最（zuì）复杂（zá）的国际（jì）空间站远程机器人任务。

▲宇（yǔ）航员Samantha Christoforetti正在（zài）进（jìn）行试验

结语：机器人或会在月球上与我们“隔空相望”

上（shàng）述（shù）的（de）科学场景在未来的（de）月（yuè）球（qiú）和火星任务中可能会（huì）出现。对（duì）人类和机器来说（shuō），太空是一个充满很多未知（zhī）与困难的（de）地（dì）方。未来我们进行太阳系的探（tàn）测（cè）时，在派人类执（zhí）行（háng）任（rèn）务之前，可能需（xū）要先发射机器人（rén）探测器到未知（zhī）行星上探（tàn）测水域。

在这之前，其他行星的（de）探测器都是由预编程软件（jiàn）以及科学家（jiā）从（cóng）地面发（fā）送指令控制的（de），传输时间（jiān）较（jiào）长。我们（men）通过提高机器人（rén）的自（zì）主性，提高了（le）宇航员执行任务的科学回（huí）报率，并避免了人类登陆（lù）其他星球带来的潜在污染。

此外，这个研究（jiū）对操作者在远处指挥机器人团队具（jù）有一（yī）般性（xìng）参考价值（zhí），例如维护太阳（yáng）能和（hé）风能园区和搜索和救援任务等。